风筝的重心是否随高度的增加而增加?

　　风筝是我国最古老的一种民间艺术,放风筝是一项集休闲、健身及学习科学知识于一体的高雅娱乐活动,深受人民群众的喜爱,许多学校把“风筝的力学原理及制作”选为高中学生研究性学习的课题是非常恰当的. 　　让我们从形状最基本的风筝说起.最简单的应是平板状的方形风筝了,这种风筝一般用两根长度不同的提线固定在风筝中轴上下适当的位置,使风筝在空中与风向成一定的迎角,下方装有两根一定长度和宽度的尾条,如图1所示.让我们来分析风筝是如何上升以及保持姿态稳定的. 　　一、风筝的上升 　　图2是平板状的方形风筝在空中稳定时的受力示意图.风吹在风筝表面上,产生一个垂直于风筝面的压力F,这个力可以分解为水平方向的分力F2和竖直方向的分力F1.F2的作用是使风筝远离,F1的作用是使风筝上升,同理,风筝线的拉力T也可以分解为水平和竖直两个分力T1、T2.G为风筝的重力.当风速较大时,压力F较大,竖直方向满足F1＞T2+G即F1-T2-G＞0风筝上升.此时应该将风筝线放出,使水平方向满足F2＞T1,风筝远离.风筝上升到一定高度和距离,风筝线重力大大增加,使得拉力T大大增加,而且风筝和竖直方向的角度减小,使得分力T2大大增加,当达到F1-T2-G＝0时风筝就不再上升,而是稳定在空中.风筝刚放飞时,地面附近风速常常较小,往往需要人为助跑来加大风的压力F以满足上升的条件,这里应用了相对运动的原理. 　　二、风筝姿态的稳定 　　图1所示的风筝如果没有尾条,在空中的姿态是很不稳定的,风筝面会以拉线方向为转动轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆,若提线位置系得不合适,使得风筝的重心落在转动轴的上方,风筝还会头朝下颠倒过来,迅速栽向地面上.给平板状风筝加上适当重量、适当长度的尾条是使风筝状态达到稳定的有效方法.当风筝的 　　身子转过一个角度时,尾条的方向由 　　于所受重力和风力的方向不变而保持 　　不变,从而产生使风筝回复原来位置 　　的力矩,图3为顺着拉线方向正视风 　　筝时的示意图,F1、F2为重力和风产 　　生的拉力的合力在风筝平面内的两个 　　分力；L1、L2为二力到转动轴O点的 　　力臂,产生的回复力矩为: 　　M=M1+M2=F1×L1+F2×L2,可以看出,当风筝的身子偏转的角度在0.—90.范围内时,力臂L1、L2随偏转角的增大而增大,从而保证了风筝姿态的稳定. 　　保持风筝姿态稳定除了加尾条的方法外,还有利用类似于飞机垂直尾翼的原理,增加与风筝平面垂直方向的 　　投影面积的方法,其做法一般都采取使 　　风筝面翘起成孤形,如图4所示,S1为 　　风筝有效的迎风面积,S2为等效的垂直 　　尾翼面积.对飞机来说,当气流方向和 　　机身长度方向一致时,垂直尾翼的迎风 　　面积为零,不产生回复力矩；当机身由于不稳定因素而产生以通过质心的竖直轴线为轴的偏转时,垂直于尾翼的迎风面积就不为零,气流将产生垂直于尾翼面的压力,形成回复力矩,使机身回到原来位置.同理,当风筝面以拉线方向为转动轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆时,两侧空气将通过等效垂直尾翼面积产生对摇摆运动的阻力,同时迎面气流也将产生对垂直尾翼面积的压力,前者使摇摆减缓,后者产生回复力矩.当风筝在放飞时受到风力后风筝面会弯曲成弧形,称为软翅风筝；也有一些风筝在制作时,用线将风筝面事先拉成弧形,都是利用上述原理使风筝姿态稳定.